Bipolární tranzistor
Bardeen Brattain
Shockley
U.S. Patent 2,623,105
Bipolární tranzistor
EMITOR KOLEKTOR
BÁZE B
CE
B
E
C
EMITOR KOLEKTOR
BÁZE
CE
N++ P+ N
B
E
C
N+P++ P
(a)
(b)
IB
IB
IC
IC
Báze
Bipolární tranzistor
EMITOR KOLEKTOR
BÁZE B
CE
B
E
C
EMITOR KOLEKTOR
BÁZE
CE
N++ P+ N
B
E
C
N+P++ P
(a)
(b)
IB
IB
IC
IC
0 1 2 3 4
10
14
10
16
10
18
10
20
donory
akceptory
N N
++
P
+
N
++
KOLEKTORBÁZEEMITOR
Koncentracepříměsí(cm
-3
)
x m
EMITOR
,,emituje" elektrony
do báze
Bipolární tranzistor
EMITOR KOLEKTOR
BÁZE B
CE
B
E
C
EMITOR KOLEKTOR
BÁZE
CE
N++ P+ N
B
E
C
N+P++ P
(a)
(b)
IB
IB
IC
IC
0 1 2 3 4
10
14
10
16
10
18
10
20
donory
akceptory
N N
++
P
+
N
++
KOLEKTORBÁZEEMITOR
Koncentracepříměsí(cm
-3
)
x m
KOLEKTOR
,,sbírá" elektrony,
které prodifundují
bází
Bipolární tranzistor
0 1 2 3 4
10
14
10
16
10
18
10
20
donory
akceptory
N N
++
P
+
N
++
KOLEKTORBÁZEEMITOR
Koncentracepříměsí(cm
-3
)
x m
PROPUSTNÝ
SMĚR
injekce
ZÁVĚRNÝ
SMĚR
extrakce
Bipolární tranzistor
EMITOR KOLEKTOR
BÁZE B
CE
B
E
C
EMITOR KOLEKTOR
BÁZE
CE
N++ P+ N
B
E
C
N+P++ P
(a)
(b)
IB
IB
IC
IC
Šipka v emitoru ukazuje KLADNÝ směr toku proudu
v normálním aktivním režimu
(proti směru toku elektronů)
Tranzistor se nazývá NPN
P
N
N
Bipolární tranzistor
EMITOR KOLEKTOR
BÁZE B
CE
B
E
C
EMITOR KOLEKTOR
BÁZE
CE
N++ P+ N
B
E
C
N+P++ P
(a)
(b)
IB
IB
IC
IC
Tranzistor se nazývá PNP
Šipka ukazuje KLADNÝ směr toku proudu v normálním aktivním režimu
Bipolární tranzistor
EMITOR KOLEKTOR
BÁZE B
CE
B
E
C
EMITOR KOLEKTOR
BÁZE
CE
N++ P+ N
B
E
C
N+P++ P
(a)
(b)
IB
IB
IC
IC +UCC
RC
+UCC
RC
RB
RB
Bipolární tranzistor ­ režimy činnosti
SaturaceUBC  UPUBE > UP
Inverzní aktivníUBC > 0UBE < 0
Normální aktivníUBC < 0UBE > 0
NevodivýUBC  0UBE < UP
RežimPolarizace
přechodu B-C
Polarizace
přechodu B-E
Bipolární tranzistor ­ nevodivý režim
+5V
RC
NEVODIVÝ
REŽIM
NORMÁLNÍ
AKTIVNÍ
REŽIM
+5V
RC
RB
0 1 2 3 4
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
- +
---
+
CBE
Energie(eV)
x (m)
0 1 2 3 4
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
-
+
+- +
- -
CBE
Energie(eV)
x (m)
2V
5V 0,65V
5V
0 1 2 3 4
10
18
10
20
10
22
10
24
10
26
KOLEKTOROPN
OPN
BÁZEEMITOR
Koncentracem
-3
x m
0 1 2 3 4
10
18
10
20
10
22
10
24
10
26 elektrony
díry
KOLEKTOROPN
OPN
BÁZEEMITOR
Koncentracem
-3
x m
Elektrony mohou přejít z B do C
a díry z C do B,
ale je jich málo (jsou minoritní)

teče jen malý závěrný proud
přechodu B-C.
Nazývá se ZBYTKOVÝ proud.
Vysoká energetická bariéra
brání průchodu elektronů z E do B
a děr z B do E
Bipolární tranzistor ­ režimy činnosti
SaturaceUBC  UPUBE > UP
Inverzní aktivníUBC > 0UBE < 0
Normální aktivníUBC < 0UBE > 0
NevodivýUBC  0UBE < UP
RežimPolarizace
přechodu B-C
Polarizace
přechodu B-E
Bipolární tranzistor ­ normální aktivní režim
NORMÁLNÍ
AKTIVNÍ
REŽIM
+5V
RC
RB
0 1 2 3 4
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
-
+
+- +
- -
CBE
Energie(eV)
x (m)
2V
5V 0,65V
0 1 2 3 4
10
18
10
20
10
22
10
24
10
26 elektrony
díry
KOLEKTOROPN
OPN
BÁZEEMITOR
Koncentracem
-3
x m
Tranzistorový jev:
Napětím UBE řídíme proud IC.
Propustná polarizace přechodu B-E
sníží energetickou bariéru
 Injekce elektronů z E do B
a děr z B do E
Aby prošel dostatek elektronů přes
bázi, musí být tenká. wB LDn
Závěrná polarizace přechodu B-C
způsobí extrakci elektronů,
které prošly přes bázi k B-C
 průtok velkého proudu z E do C
Bipolární tranzistor ­ normální aktivní režim
NORMÁLNÍ
AKTIVNÍ
REŽIM
+5V
RC
RB
0 1 2 3 4
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
-
+
+- +
- -
CBE
Energie(eV)
x (m)
2V
5V 0,65V
0 1 2 3 4
10
18
10
20
10
22
10
24
10
26 elektrony
díry
KOLEKTOROPN
OPN
BÁZEEMITOR
Koncentracem
-3
x m
Koncentrace donorů v emitoru
je mnohem větší než akceptorů v bázi
 injekce elektronů z E do B
je mnohem větší než děr z B do E
 PROUDOVÉ ZESÍLENÍ
PROUDOVÉ ZESÍLENÍ
vytváří přechod B-E
ND ~ 100 x NA
 proudové zesílení mezi bází
a emitorem je ~ 100 0 1 2 3 4
10
18
10
19
10
20
10
21
10
22
10
23
10
24
10
25
10
26
donory
akceptory
NP
+
N
++
KOLEKTORBÁZEEMITOR
Koncentracepříměsí(m
-3
)
x m
Bipolární tranzistor ­ normální aktivní režim
NORMÁLNÍ
AKTIVNÍ
REŽIM
+5V
RC
RB
0 1 2 3 4
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
-
+
+- +
- -
CBE
Energie(eV)
x (m)
2V
5V 0,65V
0 1 2 3 4
10
18
10
20
10
22
10
24
10
26 elektrony
díry
KOLEKTOROPN
OPN
BÁZEEMITOR
Koncentracem
-3
x m
Proud do báze je nežádoucí důsledek
1. injekce děr do emitoru
2. rekombinace děr s elektrony v bázi.
Snížení počtu děr injektovaných z B do E
a odtud malý proud báze pro zajištění
velkého proudu kolektoru
zajistí ND ~ 100 x NA
 proudové zesílení ~ 100
Díry na bázové straně přechodu B-E být
musí. Potřebujeme zde kladný potenciál.
Bipolární tranzistor ­ proudový zesilovací činitel
h21E = hFE = IC / IB ~ 100
v zapojení se společným Emitorem
h21E(hFE) není konstanta,
závisí na proudu kolektoru !!!
logaritmická stupnice
Bipolární tranzistor ­ výstupní charakteristiky
0 2 4 6 8 10
0
2
4
6
8
10
12
14
60
45
30
15
0
IB
(A)
IC
(mA)
UCE
(V)






-= 1exp0
kT
eU
III BE
EC
Čím větší je UBE, tím více se sníží energ. bariéra a teče větší proud.
Tranzistor se chová
jako zdroj proudu
v širokém rozsahu
napětí UCE (UCB).
+UCC
RC
+UCC
RC
+UCC
RE
RE
+UCC
Zesiluje proud v těch konfiguracích, kdy je vstupem báze.
vstup
vstup
vstup
vstup
výstup
výstup
výstup
výstup
Bipolární tranzistor
SE SE SC SC
IB
IB
IB
IB
~100IB
~100IB
~100IB
~100IB
+UCC
RC
+UCC
RC
+UCC
RC
-UCC
RC
Bipolární tranzistor
Zesiluje napětí v těch konfiguracích, kdy je výstupem kolektor.
výstup
výstup
výstup
výstup
SE SE SB SB
Potom malým vstupním napětím UBE (UEB) 0 až 0,7V
ovládáme velké výstupní napětí UCE (UCB) 0 až UCC.
UBE
UEB
UEB
UEB
UCE
-UCE
UCB
UCB
+UCC
RC
+UCC
RC
Bipolární tranzistor ­ mechanismus napěťového zesílení
1. Přivedeme vstupní napětí 2. Proteče proud báze
IB
3. Proteče proud kolektoru 100IB
100IB
4. Vzroste úbytek napětí na RC na hodnotu URC = h21EIBRC
~100
UCE
URc
Poklesne napětí UCE z hodnoty UCE = UCC
na hodnotu UCE = UCC ­ URC = UCC - h21EIBRC
Malý nárůst UBE způsobí velký pokles UCE.
Tranzistor zesiluje a invertuje !!!
+UCC
RC
+UCC
RC
Bipolární tranzistor ­ mechanismus napěťového zesílení
100IB
Poklesne napětí UCE z hodnoty UCE = UCC na hodnotu
UCE = UCC ­ URC = UCC - h21EIBRC
UCE
URc
IB
+UCC
RC
+UCC
RC
UCE
URc
IB
100IB
Bipolární tranzistor ­ mechanismus napěťového zesílení
UCE
URc
100IB
IB
NPN PNP
Zátěž (RC) zapojena
proti +UCC
Zátěž (RC) zapojena
proti zemi
Princip zesilování napětí je shodný pro NPN a PNP.
Bipolární tranzistor
0 10 20 30 40 50
0
20
40
60
80
100
120
140
IC
(mA)
UCE
(V)
Aktivní režim
RB
Nevodivý režim
Rc
+Ucc
Normální aktivní režim ­ zesilovač
sepnutý stav spínače
Bipolární tranzistor - příklad
Normální aktivní režim ­ zesilovač ve tídě A
Dáno: zesilovač ve třídě A
uvýstšš= 6 V, Rz = 100k
uvstšš= 60 mV, h21e=100
Rz = 100k  Rc  Rz
+Ucc=?
Rc=?RB =?
Rz=M1
Platí:
Au= (h21e/h11e)  Rc
h21e=100, h11e~ 1000
Chceme:
Au= 100 = (h21e/h11e)  Rc
 Rc volíme 1 k
A
0 2 4 6 8 10
0
2
4
6
8
10
45
30
15
0
IB
(A)
IC
(mA)
UCE
(V)
Bipolární tranzistor ­ mezní parametry
0 10 20 30 40 50
0
20
40
60
80
100
120
140
IC
(mA)
UCE
(V)
Výstupní charakteristiky
UBRCE0
ICMAX
PCMAX
Bipolární tranzistor ­ mezní parametry
Výkonová ztráta tranzistoru:
P = UBE  IB + UCE  IC
0 10 20 30 40 50
0
20
40
60
80
100
120
140
IC
(mA)
UCE
(V)
PCMAX
UBE  IB  UCE  IC
např. pro UCE = 3 V z příkladu:
0,7  3  10-5  3  3 10-3
Výkonová ztráta tranzistoru  ,,kolektorová ztráta"
PC  UCE  IC
IC = PC / UCE
hyperbola ztrátového výkonu
Bipolární tranzistor ­ mezní parametryBipolární tranzistor ­ mezní parametry
Bipolární tranzistor ­ mezní parametry
UBE (V)
UBE (V)
IB (A)
IB (nA)
5 4 3 2 1
Bipolární tranzistor ­ mezní parametry
Vstupní charakteristiky
IBmax Rc
UBREB0
B-E je ,,Zenerova dioda na 5 V"
Bipolární tranzistor ­ mezní parametryBipolární tranzistor ­ mezní parametry
Přetížení přechodu B-E v propustném směru se nepředpokládá...
Bipolární tranzistor ­ mezní parametry
Rc
RB
+15V
0V 0V
-15V
Přechod B-C musí být konstruován tak, aby měl tranzistor
potřebné průrazné napětí.
Bipolární tranzistor ­ režimy činnosti
SaturaceUBC  UPUBE > UP
Inverzní aktivníUBC > 0UBE < 0
Normální aktivníUBC < 0UBE > 0
NevodivýUBC  0UBE < UP
RežimPolarizace
přechodu B-C
Polarizace
přechodu B-E
Bipolární tranzistor ­ režim saturace
REŽIM
NASYCENÍ
+5V
RC
RB
0,2V
5V 0,7V
0 1 2 3 4
10
18
10
20
10
22
10
24
10
26 elektrony
díry
KOLEKTOR
OPN
BÁZEEMITOR
Koncentracem
-3
x m
0 1 2 3 4
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
+++
----
CBE
Energie(eV)
x (m)
0 10 20 30 40 50
0
20
40
60
80
100
120
140
IC
(mA)
UCE
(V)
Proudové zesílení významně klesá.
Oba přechody polarizovány
v propustném směru 
UCE = UCESAT  0,1 V.
Bipolární tranzistor ­ režim saturace
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
0
2
4
6
8
10
12
UCESAT
P
mezní přímka
60
45
30
15
0
IB
(A)
IC
(mA)
UCE
(V)
Proudové zesílení významně klesá.
Pro stejný IC potřebujeme větší IB!!!
Bipolární tranzistor ­ režim saturace
REŽIM
NASYCENÍ
+5V
RC
RB
0,2V
5V 0,7V
0 1 2 3 4
10
18
10
20
10
22
10
24
10
26 elektrony
díry
KOLEKTOR
OPN
BÁZEEMITOR
Koncentracem
-3
x m
x (m)
pro vypnutí tranzistoru je
nutné bázi a B-C zotavit od
nadbytečného náboje
 dlouhá doba vypnutí
Oba přechody polarizovány v propustném směru
 báze a přechod B-C zaplaveny nosiči.
RB= 0:
Bipolární tranzistor jako spínač - příklad
Rc=1k
RB=?
Ucc=12 V
5V
h21E=100
0.7V
RB = [(5 - 0.7) / 0.0118]  50 = 18 220 k  18k
RB = URB/IB = (URB/IC)  h21e
IB
IC = (Ucc ­ Ucesat) / RC
= (12 ­ 0.2) / 1000 =
= 11.8 mA
IC
Ucesat
pokles v saturaci
Bipolární tranzistor ­ opatření pro rychlé vypínání
B
E
C
0,7V
0,25V
0,45V
Schottkyho desaturační dioda mezi B a C
paralelní omezovač napětí na 0.25 V zabrání saturaci
Schottkyho dioda mezi B a C nedovolí pokles UBC pod 0,25V
 přechod B-C se nemůže dostat do propustného směru
 přechod B-C se nemůže příliš zaplavit
STTL
LSTTL
Bipolární tranzistor ­ opatření pro rychlé vypínání
Zrychlené vypínání tranzistoru v saturaci vnějším obvodem
+12V
Ucesat
5V
Rc
RB
sepnuto
Rc
RB
+Ucc
Bipolární tranzistor ­ opatření pro rychlé vypínání
Zrychlené vypínání vnějším obvodem se záporným předpětím
-5V
+5V
ON
OFF
-5V
Bipolární tranzistor ­ opatření pro rychlé vypínání
Zrychlené vypínání vnějším obvodem se záporným předpětím
Rc
RB
+Ucc
+5V
ON
OFF
Dioda B-E je rychle zbavena náboje v procesu závěrného
zotavení (pomáhá nám el. pole) ze zdroje -5 V.
Typ. aplikace: vypínání výkonových tranzistorů
Rc
RB
Bipolární tranzistor ­ opatření pro rychlé vypínání
Zrychlené vypínání zvýšením rekombinační rychlosti R v bázi
přidáním rekombinačních center v přídavném technolog. kroku.
Rekombinačnícentrum
-
1.
2.
+
V
praxi užívaná rekombinační centra:
* po difúzi zlata nebo platiny
* poruchy po elektronovém ozařování
* poruchy po ozařování protony (H+) nebo alfa částicemi (He2+)
snížení doby života 
nadbytečných
nosičů náboje
R
n
=